一种Boost级联与开关电容双向DC-DC变换器及控制方法技术

本发明专利技术提供一种Boost级联与开关电容双向DC

【技术实现步骤摘要】
一种Boost级联与开关电容双向DC
‑
DC变换器及控制方法


[0001]本专利技术涉及新能源
，具体地，涉及一种非隔离型双向DC
‑
DC变换器及控制方法。

技术介绍

[0002]光伏并网系统属于新能源并网系统的一种，为了增强光伏发电和并网的稳定性，通常需要加入储能系统。储能系统通过双向DC
‑
DC变换器与光伏并网系统的直流母线相连接，储能系统的端电压相对较低，而光伏并网系统的直流母线电压相对较高，因此要求双向DC
‑
DC变换器具有很高的电压增益，同时其开关器件的电压应力也应较小。此外，若变换器的电压增益较高，同样功率条件下，其低压侧的电感等储能元件将承受较高的电流应力，因此要求其低压侧的电感等元件的电流应力不能很大。
[0003]双向DC
‑
DC由于能使得能量实现双向流动，已经在许多需要能量实现双向流动的领域得到了充分的发展和广泛的应用，譬如新能源并网、电动汽车的储能系统、微电网、不间断电源等领域。双向DC
‑
DC变换器按是否实现电气隔离来区分，可分为隔离型和非隔离型两种类型。隔离型的双向DC
‑
DC变换器采用了高频隔离变压器，具有较高的电压增益，但是高频变压器的设计和制造较为复杂，体积较大，且需要一定的成本，此外，高频变压器也会带来漏感等问题。在非隔离型双向DC
‑
DC变换器中，多电平双向DC
‑
DC变换器具有很高的电压增益，但是需要很多的开关器件，同时其调制和控制策略较为复杂。开关电容能有效提高双向DC
‑
DC变换器的电压增益，同时降低开关器件的电压应力。
[0004]文献H.Ardi,A.Ajami,F.Kardan and S.N.Avilagh,"Analysis and Implementation of a Nonisolated Bidirectional DC
–
DC Converter With High Voltage Gain,"in IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.63,no.8,pp.4878
‑
4888,Aug.2016,doi:10.1109/TIE.2016.2552139.中的拓扑电路，开关器件所承受的最大电压应力高于高压侧的电压，且其电压增益有待提高。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种Boost级联与开关电容双向DC
‑
DC变换器及控制方法。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供一种非隔离型双向DC
‑
DC变换器，包括三组级联的Boost电路以及与之连接的开关电容模块，所述三组级联的Boost电路位于低压侧，所述开关电容模块位于高压侧，其中：三组级联的Boost电路，通过级联的方式，使得变换器具有很大的电压增益。此外，三组级联的Boost电路通过把低压侧电流分为三个不同的支路，降低了电感上的电流应力。开关电容模块通过使用开关器件和开关电容，使得变换器的电压增益得到进一步提高，同时降低了所有开关器件所承受的电压应力。
[0007]可选地，三组级联的Boost电路由电容C
L
、C1、C2、C4，电感L1、L2、L3，开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成，电容C
L
的负极连接电源负极，电容C
L
的正极连接电压侧电源正极以及电感
L3的一端，电感L3的另一端连接电容C1的正极，Q2的源极连接Q3的源极，电容C1的负极连接在Q2的源极和Q3的源极之间，Q2的漏极连接电压侧电源负极；Q1的源极连接电容C
L
的负极、Q2的漏极、Q4的漏极、电容C4的负极连接，漏极连接在电感L3、电容C1之间；电感L2一端连接电容C
L
的正极、电压侧电源正极，另一端连接电容C2的正极，Q3的漏极连接在电感L2和电容C2之间，电容C2的负极连接在Q4、Q5之间，Q4的源极与Q5的漏极连接，Q4的源极连接到电压侧电源负极；电感L1的一端连接电容C
L
的正极、电压侧电源正极，另一端连接Q6的源极，Q5的源极连接到电感L1、Q6的源极之间，并连接到开关电容模块；Q6的漏极连接到开关电容模块和电容C4的正极之间，电容C4的负极连接到电压侧电源负极。
[0008]上述电路中，S1、S2、S3、S4、S5、S6为开关器件的驱动信号，在一个开关周期T
S
内，驱动信号S1、S3和S5相同且占空比为d，S2、S4和S6相同且与S1、S3和S5互补，占空比为1
‑
d，开关频率f
S
＝1/T
S
。
[0009]可选地，所述开关电容模块，其由电容C3和C
H
，开关器件Q7和Q8组成，电容C3的负极连接三组级联的Boost电路的Q5的漏极、Q6的源极和电感L1的一端，电容C3的正极连接Q7的漏极和Q8的源极，Q7的源极连接Q6的漏极、电容C4的正极，Q8的漏极连接高压侧电源正极。
[0010]上述电路中，S7和S8为开关器件Q7和Q8的驱动信号，S7与S1、S3和S5相同，S8与S2、S4和S6相同。
[0011]根据本专利技术的第二方面，提供一种上述双向DC
‑
DC变换器的控制方法，所述变换器为Boost工作模式下，能量由低压侧流向高压侧，电路实现升压运行，R
H
为高压侧负载电阻，根据开关器件导通次序和电流路径的不同，Boost模式分为模态1和模态2两种模式，
[0012]模态1：当时间处于0≤t≤dT
S
时，开关器件的驱动信号S1S2S3S4＝1010,S5S6S7S8＝1010；Q1、Q3和Q5正向导通，Q7反向导通；Q2、Q4、Q6和Q8关断；电感L1、L2和L3充电并存储能量；电容C1、C2、C4和C
H
放电，电容C3充电；高压侧负载R
H
由C
H
供电；
[0013]模态2：当时间处于dT
S
≤t≤T
S
时，开关器件的驱动信号S1S2S3S4＝0101,S5S6S7S8＝0101；Q1、Q3、Q5和Q7关断；Q2、Q4、Q6和Q8反向导通；电感L1、L2和L3放电并释放能量；电容C1、C2、C4和C
H
充电，电容C3放电；高压侧负载R
H
由C3供电。
[0014]根据本专利技术的第三方面，提供另一种上述双向DC
‑
DC变换器的控制方法，所述变换器为Buck工作模式下，能量由高压侧流向低压侧，电路实现降压运行，R
L
为低压侧负载电阻，根据开关器件导通次序和电流路径的不同，Buck模式分为模态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Boost级联与开关电容双向DC
‑
DC变换器，其特征在于，包括三组级联的Boost电路以及与其连接的开关电容模块，所述开关电容模块位于高压侧；所述三组级联的Boost电路位于低压侧，其中：所述三组级联的Boost电路通过级联的方式，使得变换器具有很大的电压增益，同时，在低压侧通过把电流分为三个支路，降低电感所承受的电流应力。2.根据权利要求1所述的Boost级联与开关电容双向DC
‑
DC变换器，其特征在于，所述三组级联的Boost电路，其中：第一组Boost电路由电容C
L
、C1，电感L3，开关器件Q1、Q2组成，其中C
L
为低压侧电容；第二组Boost电路由电容C2，电感L2，开关器件Q3、Q4组成；第三组Boost电路由电容C4，电感L1，开关器件Q5、Q6组成；电容C
L
的负极连接电源负极，电容C
L
的正极连接电压侧电源正极以及电感L3的一端，电感L3的另一端连接电容C1的正极，Q2的源极连接Q3的源极，电容C1的负极连接在Q2的源极和Q3的源极之间，Q2的漏极连接电压侧电源负极；Q1的源极连接电容C
L
的负极、Q2的漏极、Q4的漏极、电容C4的负极连接，漏极连接在电感L3、电容C1之间；电感L2一端连接电容C
L
的正极、电压侧电源正极，另一端连接电容C2的正极，Q3的漏极连接在电感L2和电容C2之间，电容C2的负极连接在Q4、Q5之间，Q4的源极与Q5的漏极连接，Q4的源极连接到电压侧电源负极；电感L1的一端连接电容C
L
的正极、电压侧电源正极，另一端连接Q6的源极，Q5的源极连接到电感L1、Q6的源极之间，并连接到开关电容模块；Q6的漏极连接到开关电容模块和电容C4的正极之间，电容C4的负极连接到电压侧电源负极。3.根据权利要求2所述的Boost级联与开关电容双向DC
‑
DC变换器，其特征在于，开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6对应的驱动信号为S1、S2、S3、S4、S5、S6，在一个开关周期T
S
内，驱动信号S1、S3和S5相同且占空比为d，S2、S4和S6相同且与S1、S3和S5互补，占空比为1
‑
d，开关频率f
S
＝1/T
S
。4.根据权利要求3所述的Boost级联与开关电容双向DC
‑
DC变换器，其特征在于，所述开关电容模块，由电容C3和C
H
，开关器件Q7和Q8组成，电容C3的负极连接三组级联的Boost电路的Q5的漏极、Q6的源极和电感L1的一端，电容C3的正极连接Q7的漏极和Q8的源极，Q7的源极连接Q6的漏极、电容C4的正极，Q8的漏极连接高压侧电源正极。5.根据权利要求4所述的Boost级联与开关电容双向DC
‑
DC变换器，其特征在于，开关器件Q7和Q8的驱动信号为S7和S8，S7与S1、S3和S5相同，S8与S2、S4和S6相同。6.一种权利要求1
‑
5任一项所述的Boost级联与开关电容双向DC
‑
DC变换器的控制方法，其特征在于，所述变换器为Boost工作模式下，能量由低压侧流向高压侧，电路实现升压运行，R
H

【专利技术属性】
技术研发人员：高强，梅军，蔡旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：